大功率电机运行状态计算机监测系统资料.docx
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大功率电机运行状态计算机监测系统资料
辽宁工业大学
计算机控制技术(论文)
题目:
大功率电机运行状态计算机监测系统
院(系):
电气工程学院
专业班级:
自动化093
学号:
090302069
学生姓名:
崔凯
指导教师:
曹勇
起止日期:
2012.12.19—12.28
课程设计(论文)任务及评语
院(系):
电气工程学院教研室:
自动化
学号
090302069
学生姓名
崔凯
专业班级
自动化093
课程设计(论文)题目
大功率电机运行状态计算机监测系统
课程设计(论文)任务
课题完成的功能:
本课程设计要求以大功率电机作为被监测对象,采用8位单片机作为计算机控制核心,实现电机系统的各参数状态监测。
设计任务及要求:
(1)电机运行状态包含:
定子电压、定子电流、绕组温度、电机转速。
(2)设计如上状态的四种传感器,并将状态信号送入单片机中进行监测和识别。
(3)完成单片机最小工作系统设计及键盘输入给定设计。
(4)完成监测系统的报警设计及状态显示器设计。
(5)撰写课程设计说明书(论文):
其中应包含设计方案选择与论证、总体功能框图、总体电路原理图、软件流程图及部分程序等内容。
技术参数:
电机额定功率225KW,额定电压380V,额定定子电流400A,额定转速1479r/min,电机重量1520KG。
进度计划
(1)布置任务,查阅资料,确定系统的组成(1天)
(2)对系统功能进行分析(1天)
(3)系统硬件电路设计(3天)
(4)系统软件设计及实验研究(2天)
(5)撰写、打印设计说明书(2天)
(6)答辩(1天)
指导教师评语及成绩
平时:
论文质量:
答辩:
总成绩:
指导教师签字:
年月日
注:
成绩:
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
随着科学技术的发展,人们越来越多的用计算机来实现控制。
近年来,计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、CRT显示技术、通信与网络技术和微电子技术的高速发展,给计算机控制技术带来了巨大的发展。
然而,设计一个性能好的计算机控制系统是非常重要的。
计算机控制系统主要由硬件和软件两大部分组成,一个完整的控制系统还需要考虑系统的抗干扰性能,系统的抗干扰性能力是关系到整个系统可靠运行的关键。
大功率电机都是具有长期连续工作的特点,不仅要求它具有良好的控制能力,又由于其工作环境不同。
因此对其电机必须有欠载、过载、单相、短路等保护措施。
有时电机需要有自动启停和手动启停。
本设计利用传感器接受电机转速、绕组温度、定子电压、定子电流,通过A/D转换传输给单片机,以单片机为控制核心,实现电机系统的各参数状态监测。
关键词:
大功率电机;传感器;单片机
目录
第1章绪论5
第2章课程设计的方案6
2.1概述6
2.2 系统组成总体结构6
第3章硬件设计8
3.1单片机最小系统设计8
3.1.1AT89C52单片机8
3.1.2晶振电路11
3.1.3复位电路11
3.1.4单片机最小系统13
3.2键盘接口电路13
3.3报警电路14
3.4温度传感器电路15
3.5速度传感器电路15
3.6电流传感器电路16
3.7电压传感器电路17
3.8A/D转换器18
第4章软件设计19
4.1主程序流图19
第5章课程设计总结20
参考文献21
附录122
附录2...24
第1章绪论
电机出现已经有百年的历史了,自从它的诞生之日,人们就在寻找多种的方法,对电机进行监控。
现代生产企业中大量使用的电动机和机械系统、电气系统不可避免的劣化并发生故障,如果有些故障不能及时发现,就可能使电机故障,产生生产停顿,并且导致昂贵的维修和停产损失。
系统开始劣化初期,其特征还不是很明显,并不是时时出现,能不能及时地发现,这对我们的意义非常重大,依靠严格的管理手段,配备足够的人力,采用相应的电动机保护装置可以使电动机得到一定程度的保护,在现实中常发生的是人力不足或人的责任心不强,电动机保护装置失效或不可靠,而人们又无法知道保护装置何时失效,仍会造成设备事故。
国产的许多种“电动机监控仪”或者“电机综合保护器”可以对电机运行的各项电参数均实时显示在“电脑”上,各项参数的历史数据还可以保存,用户随时可以查阅这些数据及其趋势曲线。
电机的运行状态(运行、停止、通讯故障、过载、过流、堵转、三相不平衡、断相、过压、欠压、短路等)均能一目了然,各种故障还发出声光报警。
这是传统的监控方式,它能忠实的记录电机的状态,但是无法进行预警,而且受到产品质量的制约。
电动机是否运行在最佳状态一直是用户关心而又无法确定的问题,设备管理者一直希望知道使用设备在什么时候会发生故障,如何能最经济地提高设备运转率。
理论上只要我们有大量的设备正常运行的数据,同时不断地比较现在的数据,就能判断出设备异常与否。
通过采集单元获得的电动机运行参数随时都被存储在计算机的历史数据库中,系统根据这些参数自动计算,给出电动机全运行过程的经济运行分析,并自动做出该动力设备最佳状态的参数,依据长期连续记录参数作出的方案,解除用户的担心,使电动机的监控非常的准确。
现在也有设备及技术可以解决这个问题,但投入很大,不具备经济性。
本课题主要是通过对电机速度和绕组温度的采集,以及工作时定子的电压、电流进行测量从而对电动机进行基本的控制和监测。
主要以AT89C51作为控制核心,并进行测得数据的显示,以及与PC机进行通信。
第2章课程设计的方案
2.1概述
为了实时准确的对大功率电机的运行状态进行监控,设计了基于传感器、A/D转换器、Windows操作系统的实验平台。
通过传感器检测电机运行状态参数数据如电流、温度、转速等,经过调理后通过A/D转换器传输到单片机,单片机软件系统以C语言为开发工具,基于Windows操作系统,实现对检测数据的分析和处理。
实验证明,该系统能够实现对电机参数的自动在线监测和记录,实现了对检测数据的特征提取、融合和实时显示等功能,在精度和实时性方面满足要求,能够模拟实现列车牵引设备实时安全状态监测的基本功能,达到了设计的目的和要求。
2.2 系统组成总体结构
首先是对于速度的采集,AT89C52单片机接收霍尔传感器传来的脉冲信号,单片机根据外部中断,以及内部定时器进行记数计算出电机转速送到LED显示,同时数据传给PC机,并在PC机屏幕上显示出来。
然后是是对于绕组的温度、定子电流电压的采集。
同速度一样,AT89C52单片机接收传感器传来的脉冲信号,单片机很据外部中断,以及内部定时器进行技术将计算出的数值送到LED显示,同时将数据通过RS-485网络传送给PC机,并在PC机屏幕上显示出来。
信号的采集处理这个模块,分为霍尔传感器对于速度的采集和电流互感器、零序电流互感器、温度传感器对于电压、电流、温度的采集。
将霍尔传感器产生的脉冲信号输出入到单片机的外部中断0口,单片机工作在内部定时器工作方式0,对周期信号进行内部记数,调用计算公式算出转速。
键盘接口电路
图2.1系统组成总体结构图
如图2.1所示,晶振电路的主要作用是向显卡、网卡、主板等配件的各部分提供基准频率,在电路产生震荡电流,发出时钟信号;复位电路是使单片机的CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作,例如复位后PC=0000H,使单片机从第—个单元取指令;霍尔传感器、电压传感器、电流传感器、温度传感器分别将电机的速度信号、电压信号、电流信号、温度信号通过A/D转换器传输给单片机;键盘接口电路输入参数的极限值;PC机队参数进行采集和分析,最终完成数据的处理、存储、融合、显示等操作;电机运动显示电机的运行状况;LCD显示表示出参数的具体数值;报警电路是电动机出现故障时,蜂鸣器发出声响报警。
第3章硬件设计
3.1单片机最小系统设计
3.1.1AT89C52单片机
图3.1AT89C52引脚图
如图3.1所示,AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89C52兼容MCS51指令系统,8k可反复擦写的FlashROM
·32个双向I/O口·256x8bit内部RAM
·3个16位可编程定时/计数器中断·时钟频率0-24MHz
·2个串行中断·可编程UART串行通道
·2个外部中断源·共6个中断源
·2个读写中断口线·3级加密位
·低功耗空闲和掉电模式·软件设置睡眠和唤醒功能
AT89C52为40脚双列直插封装的8位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有:
XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz晶振。
RST/Vpd(9脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。
VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0端口(32~39脚)被定义为N1功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13脚定义为IR输入端,10脚和11脚定义为I2C总线控制端口,分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口,12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口,连接主板CPU的相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@RI指令)时,P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)。
除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。
该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE禁止位无效。
PSEN:
程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
XTAL1:
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2;振荡器反相放大器的输出端。
3.1.2晶振电路
AT89C52引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及电容C2、C1按图3.2所示方式连接。
晶振、电容C2/C3及片内与非门(作为反馈、放大元件)构成了电容三点式振荡器,振荡信号频率与晶振频率及电容C1、C2的容量有关,但主要由晶振频率决定,范围在0~33MHz之间,电容C2、C3取值范围在5~30uF之间。
根据实际情况,本设计中采用12MHZ做系统的外部晶振。
电容取值为10uF。
图3.2晶振电路原理图
3.1.3复位电路
单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作,例如复位后PC=0000H,使单片机从第—个单元取指令。
无论是在单片机刚开始接上电源时,还是断电后或者发生故障后都要复位。
在复位期间(即RST为高电平期间),P0口为高组态,P1-P3口输出高电平;外部程序存储器读选通信号PSEN无效。
地址锁存信号ALE也为高电平。
根据实际情况选择如图3.4所示的复位电路。
该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键,在接通电源瞬间,电容C1上的电压很小,复位下拉电阻上的电压接近电源电压,即RST为高电平,在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降,当RST端的电压小于某一数值后,CPU脱离复位状态,由于电容C1足够大,可以保证RST高电平有效时间大于24个振荡周期,CPU能够可靠复位。
增加手动复位按键是为了避免死机时无法可靠复位。
当复位按键按下后电容C1通过R5放电。
当电容C1放电结束后,RST端的电位由R11与R15分压比决定。
由于R11< R11的作用在于限制按键按下瞬间电容C1的放电电流,避免产生火花,以保护按键触电。 图3.3复位电路原理图 3.1.4单片机最小系统 图3.4单片机最小系统 单片机最小系统是由AT89C52单片机、晶振电路、复位电路组成。 晶振电路的主要作用是向显卡、网卡、主板等配件的各部分提供基准频率,在电路产生震荡电流,发出时钟信号。 复位电路是使单片机的CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。 3.2键盘接口电路 由于本设计所用到的按键数量较多而不适合用独立按键式键盘。 采用的是矩阵式按键键盘,它由行线和列线组成,也称行列式键盘,按键位于行列的交叉点上,密码锁的密码由键盘输入完成,与独立式按键键盘相比,要节省很多I/O口。 本设计中使用的这个4*3键盘不但能完成密码的输入还能作特别功能键使用,比如清空显示功能等。 键盘的每个按键功能在程序设计中设置。 其大体功能(看键盘按键上的标记)及与单片机引脚接法如图3.6所示。 图3.5键盘输入原理图 S1-S10是数字按键,用户通过这些案按键可以输入参数极限值,S11是确认按键,S12是取消按键。 3.3报警电路 报警部分由蜂鸣器及外围电路组成,当参数值超过极限值时,蜂鸣器开始发声。 如图3.7所示。 图3.6报警电路原理图 3.4温度传感器电路 温度传感器采用智能温度传感器DS18B20,大大减弱了传统模拟信号在传输过程中衰减、干扰问题的影晌。 使测试系统具有更好的可靠性和精度。 如图3.7所示: 1、DQ为数字信号输入/输出端; 2、GND为电源地; 3、VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。 图3.7温度传感器电路原理图 3.5速度传感器电路 图5.1所示为速度传感器电路,由于红外光不可见,无法用肉眼识别发光信号是否在工作,故将红外线的输出回路串接了一个普通光电二极管作为判别光源发生回路是否为通路。 所选用的红外二极管IR3401,在正向工作电流为20mA时,其导通电压为1.2—1.5V,所选用的发光二极管的正向压降一般为1.5—2.0V,电流为10—20mA。 R的计算公式为: R1=(12V-Ud1-Ud2)/I1 计算得: Rmin=425Ω;Rmax=465Ω。 设定中所选阻值为430Ω(Rmin≤R≤Rmax)。 转速传感器输出电压幅度在0—1.6mV呈正弦波变化,由此可见,红外线接收三极管的光信号转化为电信号的电压Uo很微弱(一般为mV量级),需要进行信号处理. 图3.8速度传感器电路原理图 3.6电流传感器电路 如图3.9所示,被测电流In流过导体产生的磁场,由通过霍尔元件输出信号控制的补偿电流Iu流过次级线圈产生的磁场补偿,当原边与副边的磁场达到平衡时,其补偿电流Iu即可精确反映原边电流In值。 闭环霍尔电流传感器主要有以下特点: 1、可以同时测量任意波形电流,如: 直流、交流、脉冲电流; 2、副边测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离,绝缘电压一般为2kV~12kV; 3、电流测量范围宽,可测量额定1mA~50kA电流; 4、跟踪速度di/dt>50A/μs; 5、线性度优于0.1%IN; 6、响应时间<1μs; 7、频率响应0~100kHz。 图3.9电流传感器电路原理图 3.7电压传感器电路 如图3.10所示,被测电压Vp流过导体产生的磁场,由通过霍尔元件输出信号控制的补偿电流Iu流过次级线圈产生的磁场补偿,当原边与副边的磁场达到平衡时,其补偿电流Iu即可精确反映原边电压Vp值。 图3.10电压传感器电路原理图 3.8A/D转换器 本设计中A/D转换器采用ADC0809,如图3.11所示,下面是ADC0809引脚结构功能: IN0~IN7: 8路模拟量输入端; D0~D7: 8位数字量输出端; ADDA、ADDB、ADDC: 3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路ALE: 地址锁存允许信号,输入,高电平有效,对应ALE上跳沿,A、B、C地址状态送入地址锁存器中; START: A/D转换启动信号,输入高电平有效,START上升沿时,复位ADC0809;START下降沿时启动芯片,开始进行A/D转换;在A/D转换期间,START应保持低电平。 本信号有时简写为ST.EOC: A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平); OE: 数据输出允许信号,输入,高电平有效。 当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量,用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。 OE=0,输出数据线呈高阻;OE=1,输出转换得到的数据; CLK: 时钟脉冲输入端。 要求时钟频率不高于640KHZ,EOC=0,正在进行转换;EOC=1,转换结束。 使用中该状态信号即可作为查询的状态标志,又可作为中断请求信号使用; REF(+)、REF(-): 基准电压; Vcc: 电源,单一+5V; GND: 地。 图3.11ADC0809引脚图 第4章软件设计 4.1主程序流图 如图4.1为主程序流程图,当按下开始键后,开始向单片机键入参数范围,启动电机,通过各传感器将速度、温度、电流、电压信号输入A/D转换器中,载有A/D转换器输出,将数据输入单片机中,若参数在设定的范围,电机继续运行,反之则报警器报警。 参数在LED显示屏上显示。 开始 键盘键入个参数极限值 电动机运行 传感器测量绕组温度 传感器测量定子电流 传感器测量电机转速 传感器测量定子电压 报警 报警 报警 NNN 报警 LED显示 LED显示 LED显示 LED显示 YYYY 图4.1主程序流程图 第5章课程设计总结 本设计是 速度传感器部分、电流电压传感器部分、温度传感器部分、A/D转换部分、键盘输入部分、复位部分、晶振部分、显示部分、报警部分、组成,根据实际情况键盘输入部分选择4*3矩阵键盘,显示器部分通过两个串行口上扩展5片串行输入并行输出的移位寄存器作为静态显示接口来来完成显示功能。 通过这次的课程设计,使我对计算机硬件和计算机控制的知识更加熟悉了,也使我对查阅资料更加的得心应手。 在这次课程设计中,我们运用了以前学过的专业课知识,如: Proteus绘图仿真、C语言、模拟和数字电路知识等。 虽然以前在上课的时候学的都不是很好,很多知识都学习的模棱两可,可是如果你怀着一种目的性去学习它,你就会发现学习的效率非常高,以前看了都头痛的东西在你现在一定要用的时候再拿出来学习,会感觉其实也很简单的。 这是我做这次课程设计的又一收获。 我最大的收获就是自己的动手能力和独立解决问题的能力得到了很大的提高,也充分体会到了自己设计东西的乐趣、学会查阅资料和对别人的东西融会变通的重要性,也明白了很多知识光靠趴在书本上学是学不到其中的精髓的,必须亲自去试着实践,亲自去经历才能对它们真正的掌握,凡事都要自己去动下手,去实践一下,遇到困难,永远不要沮丧气馁。 在动手的过程中,不仅能增强实践能力,而且在理论上可以有更深的认识;这次设计给了我极大的鼓舞和信心,相信在以后的学习中可以通过不断的摸索和实践来提高其他方面的知识。 再次感谢曹老师的悉心指导和同学们的帮助! 参考文献 [1]于海
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